玉米作物對土壤中鎳銅鋅元素富集情況的研究

谷周雷許曉慧安海波

(1.天津華北地質勘查局，河北 承德 067000；2.內蒙古民族大學農學院，內蒙古 通遼 028005)

土壤是地球表面的一層疏松的物質，由各種顆粒狀礦物質、有機物質、水分、空氣、微生物等組成，能生長植物[1]。土壤因受到采礦、工業、交通運輸、農業、生活廢物等因素影響造成了土壤污染[2,3]，土壤無法利用，造成土地荒廢，并且進入土壤的污染物質數量超過其容量和自凈能力時引起水體、生物和大氣的污染，導致農作物的產量、質量下降，引起農作物的污染，進而可通過食物鏈危害人體健康，因此土壤治理迫在眉睫。必須要改變土壤不良性狀、防止土地退化、恢復和提高土壤生產力，其中最經濟科學的治理方式就是通過種植綠色植被進行生物修復[4,5]。玉米[6]是一種禾本科植物，由于產量高、品質好、適應性強等特點，目前在我國播種面積在2000萬hm2左右，僅次于稻、麥，在糧食作物中居第3位，我國玉米主要產區是東北、華北和西南山區。玉米的營養成分比較全面，含有蛋白質、脂肪、糖類、維生素、賴氨酸等，被廣泛食用。因此，我國對于玉米中重金屬等危害人體健康物質具有明確的限量規定。

Ni是人體必需的生命元素，在人體內含量極微，正常情況下，人體對鎳的日需要量為0.3mg。鎳缺乏可引起糖尿病、貧血、肝硬化、尿毒癥、腎衰、肝脂質和磷脂質代謝異常等病癥。但如果長期慢性接觸鎳元素，還會造成上消化道出血、脫發等情況，大量接觸鎳離子會出現慢性腎功能不全、肝功能不全等傷害。

Cu是人體健康必不可少的微量營養元素，也是機體內蛋白質和酶的重要組成部分，許多重要的酶需要微量銅的參與和活化，銅可以催化血紅蛋白的合成。其它含銅酶，如賴氨酰氧化酶、絡氨酸酶等對人體的生理功能也有較大的作用，賴氨酰氧化酶通過催化賴氨酰或賴氨酰的氨基氧化脫氨等一系列生化過程影響膠原組織的正常交聯。缺乏銅可引起賴氨酰氧化酶活性降低，導致結締組織彈性蛋白和膠原纖維交聯障礙，成熟遲緩，血管、骨骼等組織脆性增加，容易引起出血。

Zn參與了體內碳酸酐酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶等許多酶的合成及活性發揮，也與許多核酸及蛋白質的合成密不可分，可維持中樞神經系統代謝、骨骼代謝，保障、促進兒童體格(如身高、體重、頭圍、胸圍等)生長、大腦發育、性征發育及性成熟的正常進行。鋅過量會導致人味覺異常，出現吃土、吃紙等其它食物的異食癖現象，導致惡心、嘔吐的癥狀。嚴重的鋅中毒會導致神經元及膠質細胞的損傷，腦功能受損，記憶力下降。

1 試驗地區概況

研究區位于河北省承德市雙橋區，土地類型屬于褐土，該地區屬于暖溫帶半濕潤、半干旱季風氣候。年平均氣溫3～17℃，年降水量400～800mm，降雨主要集中在7月中旬—8月，地貌形態主要是山區和丘陵區，山高坡陡，谷深河窄，植被以喬木、灌木、爬藤植物為主，多數集中于山區。晝夜溫差大。當地海拔約為200～1200m，平均海拔350m，該地區屬于中溫帶大陸性氣候，研究區植被以玉米、馬鈴薯、板栗等農作物為主。

2 樣品的采集與制備

試驗于春季農作物未耕種前采集，共選取10個點位采集土壤樣品，按照相關土壤采集規范執行，棄去塑料、石塊等雜物，取樣品約500g，帶回實驗室進行加工，于烘箱中105℃烘干，直至恒重，將樣品用無污染球磨機加工制成粉末狀，過200目篩，以備分析使用。在秋季作物豐收的季節，進行玉米樣本的采集，選取長勢較好的玉米樣本，參照植物樣品采集規范執行。采集好樣品后，立即將根、莖、葉、籽實等不同部位剪開，宜采用瓷質或塑料道具，禁止使用金屬類道具，防止沾污，將樣品用密封袋裝好；選取3株成熟玉米根、莖、葉、籽實分開，分別進行破碎混勻處理，確保樣品具有代表性，按照此方法完成取樣10次，共取混合樣品40份(根、莖、葉、籽實各10份)。在秋季玉米作物收割完成后，進行土壤樣品原點位復采，與春季取樣、加工、分析方法一致。

3 樣品測試

3.1 主要儀器及試劑

電感耦合等離子體質譜儀(型號：Series2)；電子天平(型號：WTC5002)；鹽酸，優級純(型號：科密歐)；硝酸，優級純(型號：科密歐)；高氯酸，優級純(型號：科密歐)；氫氟酸，優級純(型號：科密歐)；過氧化氫，分析純(型號：科密歐)；國家一級標準物質，廊坊物化探研究所；微波消解儀，(型號：MARS6)；恒溫加熱板。

3.2 檢測方法

3.2.1 土壤樣品的測定

稱取0.1g試樣，置于聚四氟乙烯燒杯中，用少量水潤濕，加入10mL濃硝酸、10mL氫氟酸和2mL高氯酸，置于250℃的電熱板上蒸發至高氯酸冒煙約3min[7,8]，取下，趁熱加入8mL王水(1+1)，加熱至溶液體積剩余2～3mL，用約10mL去離子水沖洗杯壁，冷卻后將溶液轉入250mL容量瓶中，用3%硝酸稀釋至刻度，搖勻，用電感耦合等離子體質譜儀測定Ni、Cu、Zn。

3.2.2 玉米的測定

稱取均勻樣品0.2～1.0g,置于微波消解罐中，加入2～5mL濃硝酸，放置過夜，加1～2mL過氧化氫，于微波消解儀中消解[9，10]，反應結束后，取出消解罐，冷卻后將溶液轉移至潔凈干燥的一次性塑料瓶中，稀釋至10mL，搖勻。用電感耦合等離子體質譜儀測定Ni、Cu、Zn。

4 結果分析與討論

玉米作物根、莖、葉、籽實不同部位元素富集結果統計參數詳見表2。

玉米根系中Ni、Cu、Zn等元素的含量明顯高于其它部位[11]，說明養分主要來源于根系對土壤的吸收；玉米葉中的Ni、Cu含量也遠高于莖、籽實，可能是由于葉子的光合作用需要大量養分元素參與；玉米籽實中Zn元素的含量較高，說明Zn元素可能是玉米籽實成長特別需要的微量元素；從極小值、極大值、標準偏差結果來看，玉米根系中Ni元素含量[12]和玉米葉Zn元素含量差異比較明顯，不確定性較大。

表1 元素總量測試結果一覽表

續表 元素總量測試結果一覽表

表2 玉米作物分析測試結果統計表

從圖1可知，玉米根、莖、葉、籽實對Ni、Cu元素的富集情況相近，主要集中由根遷移到葉中；玉米籽實對Zn元素富集較好[12]，遷移度較大，由根→莖→葉→籽實依次轉化。

圖1 玉米根、莖、葉、籽實富集濃度

5 結論

根據測試結果分析，土壤在玉米耕種前后Ni、Cu、Zn變化為80%～100%，說明部分元素被作物所吸收，富集至植物中，尤其是玉米作物根和葉對重金屬元素遷移、富集能力較強，可根據這一特性，參照《土壤環境質量標準》(GB15618—2008)，將玉米作為土壤污染治理的備選作物種類之一，玉米的根和葉對重金屬元素鎳遷移、富集能力較強，參照《食品中污染物限量標準》(GB 2762-2017)各相關指標，不宜人類食用，而玉米籽實中元素鎳含量較低、元素鋅富集情況較好，符合食用標準，對于部分缺鋅體質人群，可作為醫學飲食補鋅的參考食物之一。